應(yīng)用光學(xué)課件第四章.ppt

1、第四章 光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制,4-1 光學(xué)系統(tǒng)中的光闌 一、概 述 成像要求：1) 對(duì)給定的物體在給定的共軛距離上按要求的倍率成像； 2) 具有給定的成像范圍； 3) 具有一定的光度水準(zhǔn)，即有一定的亮度； 4) 具有一定的分辨本領(lǐng)，反應(yīng)物體一定的細(xì)節(jié)。 1) 決定了系統(tǒng)的軸向尺寸，2) 決定于系統(tǒng)的視場(chǎng)，34) 決定于成像光束的立體角或孔徑角。24) 可歸納為：光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)成像范圍以內(nèi)的物點(diǎn)以要求孔徑角的光束成像。 理想光學(xué)系統(tǒng)：對(duì)無(wú)限大物體以任意寬的光束成像。 實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)：由于光學(xué)零件的尺寸和鏡筒大小限制，成像光束寬度和成像范圍是有限的。不同的光學(xué)系統(tǒng)，對(duì)成像范圍和成像光束的要求是不同的。

2、因此，如何確定光學(xué)系統(tǒng)的成像范圍、合理選擇成像光束對(duì)實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)而言，是非常重要的。,幾款攝影物鏡,反遠(yuǎn)距廣角攝影物鏡 f=97.4mm, 2w=84, D/f=1:1.2,超廣角物鏡 f=100mm,2w=110, D/f=1:4,天塞型物鏡 f=299.12mm;2w=20;D/f=1:4.5.,二、光闌及其種類,1 光 闌 系統(tǒng)中限制成像光束大小和范圍的通光孔：鏡框或?qū)ＴO(shè)孔 一般為圓形，也有方形，個(gè)別其他形狀。相機(jī)：可變光闌 光闌平面垂直于光軸，中心位于光軸上。 2 光闌的種類 根據(jù)光闌的性質(zhì)與作用，光闌可分為： 孔徑光闌 限制成像光束的立體角，在子午面內(nèi)就是限制軸上點(diǎn)成像光束中邊緣光線

3、的最大傾斜角-光束孔徑角?？钻@(瞳孔) 視場(chǎng)光闌 限制物體成像范圍的大小。 場(chǎng)闌(窗口) 這是兩種主要光闌，一般系統(tǒng)都存在(伽俐略望遠(yuǎn)鏡除外)。 漸暈光闌 部分遮攔軸外物點(diǎn)的成像光束，使軸外物體的成像光束比軸上點(diǎn)小，亮度有所降低。(目的) 消雜光光闌 遮攔非成像的雜散光：視場(chǎng)外的物體發(fā)出的光、鏡頭內(nèi)部“透-反”或“反-透”、金屬內(nèi)壁反射和散射的光。 =內(nèi)壁車消光螺紋并氧化發(fā)黑吸收雜散光、專設(shè)消雜光光闌。,三、光闌位置的確定,場(chǎng)闌：相對(duì)固定，通常為系統(tǒng)或其中間實(shí)像面上的鏡框或設(shè)置的專用光闌，如照相機(jī)的底片框、分劃板框等。 孔闌：其位置隨系統(tǒng)而異，有些系統(tǒng)對(duì)其位置有特定要求： 目鏡或目視系統(tǒng)：孔闌

4、或其實(shí)像在外，眼瞳與之重合，接受系統(tǒng)出射的全部成像光束；一般把眼瞳也當(dāng)一個(gè)光闌考慮。 遠(yuǎn)心光路：孔闌必須設(shè)置在系統(tǒng)的焦面上。 其他情況：孔闌位置的合理選擇，有助于改善軸外物體的成像質(zhì)量、減小后方光組的通光孔徑。,四、入射光瞳與出射光瞳,孔徑光闌可能位于系統(tǒng)前面，也可能位于后面，還可能位于中間。為方便討論系統(tǒng)物像方光束限制的具體情況，我們定義： 入射光瞳：孔徑光闌經(jīng)過(guò)其前面部分的光學(xué)系統(tǒng)在整個(gè)系統(tǒng)的物方空間所成的像，主要限制系統(tǒng)物方空間中物點(diǎn)發(fā)出光束的孔徑角。簡(jiǎn)稱入瞳。 出射光瞳：孔徑光闌經(jīng)過(guò)其后面部分的光學(xué)系統(tǒng)在整個(gè)系統(tǒng)的像方空間所成的像，主要限制系統(tǒng)像方空間中到達(dá)像點(diǎn)的光束的孔徑角。簡(jiǎn)稱出瞳

5、。,入瞳,出瞳,孔闌,A1,A1,A2,A2,孔闌、入瞳與出瞳的關(guān)系： 入瞳與孔闌相對(duì)于孔闌前的部分光組共軛； 出瞳與孔闌相對(duì)于孔闌后的部分光組共軛； 因此，出瞳與入瞳相對(duì)于整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)共軛。,五、入射光窗與出射光窗 視場(chǎng)光闌可能位于系統(tǒng)前面，也可能位于后面，還可能位于中間。為方便討論系統(tǒng)物像方光束限制的具體情況，我們定義： 入射光窗：視場(chǎng)光闌經(jīng)過(guò)其前面部分的光學(xué)系統(tǒng)在整個(gè)系統(tǒng)的物方空間所成的像，主要限制系統(tǒng)物方空間中物體成像的范圍。簡(jiǎn)稱入窗。 出射光窗：視場(chǎng)光闌經(jīng)過(guò)其后面部分的光學(xué)系統(tǒng)在整個(gè)系統(tǒng)的像方空間所成的像，主要限制系統(tǒng)像方空間中成像的范圍。簡(jiǎn)稱出窗。 當(dāng)然：實(shí)際起視場(chǎng)限制作用的是視場(chǎng)

6、光闌。 場(chǎng)闌、入窗與出窗的關(guān)系： 入窗與場(chǎng)闌相對(duì)于場(chǎng)闌前的部分光組共軛； 出窗與場(chǎng)闌相對(duì)于場(chǎng)闌后的部分光組共軛； 因此，出窗與入窗相對(duì)于整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)共軛。,六、視場(chǎng)角,物方視場(chǎng)角：入窗對(duì)入瞳中心的張角2，表示物方成像范圍的大小； 像方視場(chǎng)角：出窗相對(duì)于出瞳中心的張角2，表示像方成像范圍的大小。 主光線：通過(guò)入瞳（孔闌、出瞳）中心的光線。因此，視場(chǎng)角為相應(yīng)主光線與光軸的夾角。,入瞳,出瞳,出窗,場(chǎng)闌,入窗,P,P,Q,y,-y,七、漸暈與漸暈光闌,漸暈：軸外物點(diǎn)發(fā)出的充滿入瞳的光線被部分地遮攔的現(xiàn)象。導(dǎo)致軸外物點(diǎn)的成像光束小于軸上物點(diǎn)，邊緣像比中心暗。 漸暈光闌：產(chǎn)生漸暈的光闌。一般為孔闌與場(chǎng)闌

7、之外的其他光學(xué)元件的鏡框。 漸暈與視場(chǎng)：在不設(shè)場(chǎng)闌的系統(tǒng)(伽俐略望遠(yuǎn)鏡)中，視場(chǎng)由漸暈光闌確定，即視場(chǎng)與漸暈大小有關(guān)。 漸暈系數(shù)k：軸外點(diǎn)與軸上點(diǎn)通過(guò)孔闌的光束直徑之比為線漸暈系數(shù)，面積之比為面漸暈系數(shù)。,入瞳,出瞳,孔闌,P,P,Q,k = D/D,八、視場(chǎng)與漸暈的關(guān)系,我們看到：視場(chǎng)越大，漸暈越大。可以斷定：視場(chǎng)大到一定程度，軸外物點(diǎn)充滿入瞳的光束將會(huì)被漸暈光闌全部攔掉。 物空間的漸暈：以一個(gè)漸暈光闌的情況為例。,A,B1,B2,B3,入瞳,漸暈光闌,物面,可見(jiàn)：AB1：k=100%; B1B2：k =10050%; B2B3：k=500%; B3-：k=0。 最大視場(chǎng)：規(guī)定漸暈系數(shù)后由漸

8、暈光闌決定。,4-2 典型光學(xué)系統(tǒng)的光束限制,一、照相系統(tǒng)中的光束限制 1、照相系統(tǒng)的組成 照相鏡頭：對(duì)物體成像； 可變光闌（光圈）： 改變成像光束的寬度，調(diào)節(jié) 光能量以適應(yīng)不同的照明條件； 感光底片： 記錄物體的像(形成潛像，顯影、 定影反轉(zhuǎn)像); 2、照相系統(tǒng)中的光闌設(shè)置 孔徑光闌：設(shè)置在鏡頭中間，如當(dāng)薄透鏡對(duì)待(初始計(jì)算時(shí))，可認(rèn)為與鏡頭重合； 入瞳、出瞳。 視場(chǎng)光闌：與底片重合，底片框?yàn)橐晥?chǎng)光闌。 入窗、出窗。,3、照相系統(tǒng)的光束結(jié)構(gòu),孔闌與鏡頭重合 入瞳、出瞳與孔闌三者重合，這時(shí)物體成像無(wú)漸暈。 光窗 孔徑位于鏡頭后面 入瞳為虛像，在鏡頭右邊，出瞳與孔闌重合，成像有漸暈。,二、望遠(yuǎn)系

9、統(tǒng)的光束限制,1、望遠(yuǎn)系統(tǒng)的組成 物鏡、目鏡、分劃板、棱鏡(轉(zhuǎn)像、折轉(zhuǎn)光路)。 2、光闌的位置 開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)：場(chǎng)闌為分劃板邊框，入窗與物重合在 無(wú)限遠(yuǎn)，出窗像重合在像方無(wú)限遠(yuǎn)。孔闌位置可： 與物鏡重合 位于物鏡前 位于物鏡后 出瞳位于目鏡像方焦點(diǎn)外靠近焦點(diǎn)的地方，觀察時(shí)人眼與之重合。 伽俐略望遠(yuǎn)系統(tǒng)：不能設(shè)置視場(chǎng)光闌，眼瞳為孔闌(出瞳)，物鏡框和目鏡框起到漸暈光闌作用。,光瞳銜接原則：兩個(gè)光學(xué)系統(tǒng)聯(lián)用時(shí)，前一系統(tǒng)的出瞳與后一系統(tǒng)的入瞳重合，否則會(huì)產(chǎn)生光束切割，即前一系統(tǒng)的成像光束中有一部分被后面的系統(tǒng)攔截不能參與成像。,出瞳距：目視系統(tǒng)與人眼聯(lián)用，人眼的入瞳即是眼瞳。為滿足光瞳銜接原則，目

10、視系統(tǒng)的出瞳在目鏡后，而且到目鏡像方主面應(yīng)保持一定距離，這個(gè)距離即稱出瞳距(lz)。 鏡目距：目鏡最后一面頂點(diǎn)到出瞳的距離(p)： 一般系統(tǒng)：p6mm； 軍用系統(tǒng)： p20mm； 槍瞄系統(tǒng)： p可達(dá)40mm。,三、顯微系統(tǒng)中的光束限制,顯微系統(tǒng)的光闌設(shè)置： 孔徑光闌：一般情況下，設(shè)置為物鏡框； 視場(chǎng)光闌：分劃板框。 提問(wèn)：入瞳、出瞳、入窗、出窗各在哪里？,四、遠(yuǎn)心光路,在測(cè)量顯微鏡中，分劃板(場(chǎng)闌)與物鏡固定以保證設(shè)計(jì)的放大倍率。孔闌設(shè)置為物鏡框，調(diào)焦不準(zhǔn)，像面與分劃板不重合，產(chǎn)生測(cè)量誤差。,物鏡,A,物鏡,場(chǎng)闌,y,y1,B,C,B1,C1,B,C,物方遠(yuǎn)心光路：為減小測(cè)量誤差，將孔闌設(shè)置在

11、物鏡的像方焦平面上：入瞳何在？主光線平行光軸入射，不同位置物點(diǎn)的出射主光線方向不變。盡管成像光束在分劃板上為一彌散斑，但其中心位置不變，故不會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。,F,像方遠(yuǎn)心光路,在經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀等大地測(cè)量?jī)x器中，物鏡的放大率隨測(cè)量標(biāo)尺位置的不同而異。將一已知刻度的標(biāo)尺置于望遠(yuǎn)鏡物鏡前被測(cè)距離處，物鏡后面分劃板平面上刻有一對(duì)間隔為已知的測(cè)距絲，如果孔闌與物鏡重合，則調(diào)焦(目鏡與分劃板一起相對(duì)物鏡移動(dòng))不準(zhǔn)，像與分劃板不重合，就會(huì)引入測(cè)量誤差。 如果將孔闌設(shè)在物鏡的物方焦面上，則通過(guò)孔闌中心的主光線經(jīng)過(guò)物鏡后均平行于光軸，即出瞳在像方。 在測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)中盡量考慮遠(yuǎn)心光路。,B,C,五、轉(zhuǎn)像系統(tǒng)與場(chǎng)鏡

12、,有時(shí)系統(tǒng)中為加長(zhǎng)光路或轉(zhuǎn)像的需要，在系統(tǒng)中間加入轉(zhuǎn)像系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)加長(zhǎng)筒長(zhǎng)并使整個(gè)系統(tǒng)成正像的目的。 很顯然：轉(zhuǎn)像系統(tǒng)的加入，使得后續(xù)光組（目鏡）的孔徑增大、像質(zhì)變差； 為了縮小轉(zhuǎn)像系統(tǒng)和目鏡的孔徑，在物鏡像面上增加上一個(gè)光組，壓低軸外光線的孔徑，這個(gè)位于像面上或像面附近的鏡組稱為場(chǎng)鏡。,物鏡 (孔闌),場(chǎng)鏡,出瞳,4-3 光學(xué)系統(tǒng)的景深,一、光學(xué)系統(tǒng)的空間像,對(duì)平面物體成像的系統(tǒng)：電影放映物鏡、制版物鏡及投影儀等。 對(duì)空間物體成像的系統(tǒng)：可以在同一像平面上得到物空間中遠(yuǎn)近不同的物點(diǎn)的清晰像-平面上的空間像：望遠(yuǎn)鏡、照相物鏡、攝影系統(tǒng)等。 從物像共軛上看空間像與平面物體的像是有本質(zhì)的不同：“

13、一對(duì)一”和“多對(duì)一”、成像原則也不盡一樣。,1 空間物體的平面像 景像平面 對(duì)準(zhǔn)平面 空間點(diǎn)的平面像： 以入瞳中心點(diǎn)P為透視(投影)中心，將空間點(diǎn)沿主光線方向向?qū)?zhǔn)平面投影，投影點(diǎn)在景像平面上的共軛點(diǎn)。,B04,B4,B02,B03,B2,B3,B1,P,P,B1,B2,B3,B4,B4,B2,B3,入瞳,出瞳,S1,(S2),2、透視失真和景像畸變,透視失真 當(dāng)投影中心(入瞳中心)前后移動(dòng)時(shí), 投影像的變化與景物不成比例,這種現(xiàn)象叫透視失真。 當(dāng)入瞳位于P0時(shí)，空間物點(diǎn)S1和S2在景像平面上的平面像，即其共軛像在景像平面上相對(duì)出瞳中心的投影S1和S2是分開(kāi)的。而當(dāng)入瞳移至P位置時(shí)，S1和S2

14、的平面像卻是重合在一起的。這種入瞳中心移動(dòng)導(dǎo)致空間物點(diǎn)的平面像點(diǎn)之間關(guān)系的變化與景物之間的關(guān)系不成比例，即為透視失真。,對(duì)準(zhǔn)平面,景像平面,對(duì)準(zhǔn)平面,景像平面,A,A,A,A,景像畸變：當(dāng)系統(tǒng)視場(chǎng)很大(如廣角物鏡)，設(shè)物體為一系列球狀物，這些球狀物對(duì)入瞳中心P構(gòu)成一系列圓錐狀光束，它們的共軛光束也是圓錐狀光束，該圓錐狀光束在景像平面上的投影即為球狀物的平面像。顯然，它隨視場(chǎng)角的不同而異，這種現(xiàn)象就是景像畸變。,入瞳,出瞳,P,P,二、光學(xué)系統(tǒng)的景深,1、景深的基本概念,理想光學(xué)系統(tǒng)理論：物空間的一個(gè)平面物在像空間只有一個(gè)像面與之共軛。 實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)：對(duì)準(zhǔn)平面外的空間物點(diǎn)在景像平面上的“像”是一

15、個(gè)彌散斑，只要該彌散斑小于一定限度，仍可認(rèn)為是一個(gè)點(diǎn)像。因?yàn)槿魏谓邮芷鳎ㄈ缪劬?、感光乳劑、光電接收器件等）都不是完善的，存在缺陷。?dāng)彌散斑小到接收器無(wú)法分辨時(shí)，該彌散斑對(duì)接收器而言就是一個(gè)清晰的像點(diǎn)。 景深的概念：由于接收器的缺陷，當(dāng)入瞳大小一定時(shí)，能在景像平面上成清晰像的物方空間深度叫做景深。能成清晰像的最近和最遠(yuǎn)物面叫做近景平面和遠(yuǎn)景平面，它們到對(duì)準(zhǔn)平面的距離分別為近景深度和遠(yuǎn)景深度。,二、光學(xué)系統(tǒng)的景深,2、景深的大小,B1,B2,B1,B2,z1,z2,z2,z1,可見(jiàn)：物空間中對(duì)準(zhǔn)平面外的物點(diǎn)B1和B2在景像平面上的像為一彌散斑，只要這些彌散斑正好不為接受器所分辨，則過(guò)B1和B2點(diǎn)垂

16、直于光軸的平面分別為遠(yuǎn)景平面和近景平面。B1B2之間的距離即為景深。可見(jiàn)確定景深，首先要確定彌散斑的大小。,設(shè)對(duì)準(zhǔn)平面和景像平面上的彌散斑直徑分別為z1、z2和z1、z2, 則有：,z1= z1 z2= z2,由圖中相似三角形的關(guān)系，有：,由此得：,所以：,可見(jiàn)：景像平面上彌散斑大小除與入瞳直徑有關(guān)，還與對(duì)準(zhǔn)平面、遠(yuǎn)景平面和近景平面的位置有關(guān)。,確定允許的彌散斑直徑主要考慮：光學(xué)系統(tǒng)的用途和接受器的性質(zhì)。,光電接收系統(tǒng)： 允許的彌散斑大小為光電接收器件光敏元的大小。 設(shè)z1max=z2max=z，并考慮 =-f / x f / p，則： 于是遠(yuǎn)景深度、近景深度和系統(tǒng)景深分別為： 可見(jiàn)：當(dāng)景像平

17、面上允許的彌散斑大小確定后，景深與系統(tǒng)入瞳直徑、焦距和對(duì)準(zhǔn)平面的位置有關(guān)。2a，f，；p，；12。,普通照相物鏡： (1)若照片上各點(diǎn)彌散斑對(duì)人眼的張角小于人眼極限分辨角 ( 12)，則認(rèn)為圖像清晰；(2)允許彌散斑的大小還與人眼到照片的距離有關(guān)。 正確透視距離：為獲得正確的空間感覺(jué)，照片上圖像的各點(diǎn)對(duì)人眼的張角與直接觀察空間各對(duì)應(yīng)點(diǎn)時(shí)點(diǎn)對(duì)人眼的張角應(yīng)相等。,根據(jù)這一條件，可得： D=-yp/y =- p,于是可得到景像平面上彌散斑的允許值： z=z1=z2=D =-p,而對(duì)準(zhǔn)平面上彌散斑的允許值為： z=z1=z2=z/=-p,由此可見(jiàn)：對(duì)準(zhǔn)平面上彌散斑對(duì)入瞳中心的張角也不應(yīng)超過(guò)人眼的極限分

18、辨角。,A,A,R,U,U,3)景 深,確定了對(duì)準(zhǔn)面上所允許的彌散斑直徑，便可以確定系統(tǒng)的景深了。因?yàn)檫h(yuǎn)景和近景距離(相對(duì)于入瞳）為：,所以遠(yuǎn)景深度1和近景深度2(這里p1、p2、p均以絕對(duì)值代入)為：,將z =z1=z2=p 代入上式得：,可見(jiàn)，相同條件下(2a、p、)，遠(yuǎn)景深度1大于近景深度2。,于是，總的成像深度，即系統(tǒng)景深為：,若用孔徑角U表示2a，則2a=2ptgU,代入上式得：,該式表明：入瞳直徑越小，即孔徑角越小，景深越大。這就是拍照時(shí)，縮小光圈可以獲得較大空間深度的清晰像的緣故。,下面對(duì)遠(yuǎn)景和近景深度1、2的討論。 有下列兩種情況：,1) p=2a/ 時(shí)，1=,這表明：入瞳對(duì)對(duì)

19、準(zhǔn)平面中心張角等于人眼極限分辨角 時(shí)，遠(yuǎn)景深度無(wú)限大，即對(duì)準(zhǔn)平面以后的整個(gè)空間都能在景像平面上成清晰像，這時(shí)，近景位置p2為：,因此：調(diào)焦至p=2a/處，在景像平面上可以得到入瞳前p2=a/ 處平面以外整個(gè)空間的清晰像，此時(shí)p1= 。,2) p=時(shí)：,可見(jiàn)：調(diào)焦至p=時(shí)，可得到在入瞳前p2=2a/ 的平面開(kāi)始到無(wú)限遠(yuǎn)的物空間的清晰象。和1)比較可知，調(diào)焦至無(wú)限遠(yuǎn)時(shí)的景深要小一些。,【例題】設(shè)某光電成像系統(tǒng)物鏡f=50mm，D/f=1/4，即2a=D=12.5mm，設(shè)z=0.05mm。 1）若調(diào)焦至p=5m處，則p1=8.33m，1=3.33m； p2=3.57m，2=1.43m； =4.76m。,2）使對(duì)準(zhǔn)平面后的空間都能成完善像，即1=，則對(duì)準(zhǔn)平面：,p=2a/f=12.5m； 近景平面位置： p2=p/2=6.25m 這表明：對(duì)準(zhǔn)12.5m處的物體時(shí)，6.25m以遠(yuǎn)的物空間都能成清晰像。 3）調(diào)焦至無(wú)限遠(yuǎn)，即p=時(shí)，近景平面位于： p2=2a/f=12.5m 即：對(duì)準(zhǔn)無(wú)限遠(yuǎn)時(shí)，12.5m以遠(yuǎn)能成像清晰。這表明：將物鏡調(diào)焦至無(wú)限遠(yuǎn)并不能獲得最大景深！ 補(bǔ)充題： CANON 5D 光敏